Stand der Forschung zur Lithium-Schwefel- Batterie: Zukünftige Speicher für Elektrofahrzeuge mit erhöhter Reichweite?

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1 Stand der Forschung zur thium-schwefel- Batterie: Zukünftige Speicher für Elektrofahrzeuge mit erhöhter Reichweite? Dr. Holger Althues, Fraunhofer IWS

2 Stand der Forschung zur thium-schwefel-batterie: Zukünftige Speicher für Elektrofahrzeuge mit erhöhter Reichweite? Gliederung Anforderungen an Energiespeicher für Elektrofahrzeuge Stand und Entwicklungsperspektiven thium-ionen-technologie thium-schwefel-technologie Zusammenfassung 2

3 Anforderungen an Energiespeicher für Elektrofahrzeuge Start/Stop und Mild Hybrid Fahrzeuge Flächendeckende Einführung und zunehmende Elektrifizierung Mittelfristig werden sich High-Power--Ion- Zellen durchsetzen Plug-in Hybrid und Vollelektro-Fahrzeuge Markt entwickelt sich langsamer als erwartet Flaschenhals sind die Kosten und die limitierte Reichweite Source: Toyota, Batteries

4 Anforderungen an Energiespeicher für Elektrofahrzeuge Hauptanforderungen an die EV-Batterie Erhöhung der Energiedichte für hohe Reichweiten Hohes Leistungsvermögen / Schnellladefähigkeit Hohe Lebensdauer Zuverlässiges Temperaturverhalten (-20 bis + 40 C) Kostenreduktion Sicherheitsgarantie -Ionen- Zelle Source: -Tec 4

5 Anforderungen an Energiespeicher für Elektrofahrzeuge Erforderliche Energiedichte für EV-Marktpenetration Source: Update on US DOE Electric Drive Vehicle R&D and Deployment Activities, David Howell, EERE, DOE, August 2012 Pack-Ebene: 225 Wh/kg und 425 Wh/L Zell-Ebene 400 Wh/kg und 800 Wh/L 5

6 Überblick und Vergleich verschiedener Batterietypen Pb-Acid Ni-MH -ion Future -ion -S > 300 Verfügbar Energiedichte auf Zellebene (Wh/kg) In der Entwicklung -Air > 500 R & D Rein elektrische Reichweite (km) 6

7 -Ionenbatterie: Funktionsweise Schematischer Aufbau: Kathode Separator Anode Al + Cu + + -Metalloxid + O 2- M = Co, Ni, Mn + Graphit C Elektrolyt 7

8 Stand und Entwicklungsperspektiven der thium-ionen- Technologie mitierung der -Ionen-Technologie: Das Kathoden Material Stand der Technik: NMC (Ni 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 ) Kathodenkapazität (max. 250 mah/g) begrenzt die Energiedichte Kathodenmaterial entspricht 39 % der Zellmaterialkosten und 24 % der Gesamtzellkosten Source: Roland Berger, Batteries

9 Stand und Entwicklungsperspektiven der thium-ionen- Technologie Perspektiven von Energiedichteerhöhung in thium-ionen-batterien Verdichtung Höhere Schichtdicke Verringerung Anteil Inaktivmaterial Aktivmaterial- Partikel Wh/kg P:E = 8 Max. 250 Wh/kg P:E = 1 Elektrodenbeschichtung am IWS 9

10 Chancen und Herausforderungen der -S-Batterie -Ion Elektrodenmaterialien 5 V Potential vs / + 4 V 3 V 2 V 1 V Co 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 Kathoden Materialien FePO 4 Faktor 5-8 Kapazitäts- Gewinn 4 Ti 5 O 12 Hardcarbon Graphite Sn Na Sulfur Faktor 1,5-2,5 Potential- Verlust Anoden Materialien Si/C-Komposite Potential für EV-Anwendung: > 400 Wh/ kg (Zellebene) kostengünstige Kathode Si Kapazität (mah/g)

11 Mechanismen Lade/Entladevorgänge in der -S-Batterie Schema der -S - Zelle Anode (-) Kathode (+) Polysulfide S S S S S S S S S 8 / 2 S Elektrolytsystem: 1M TFSI DME:DOL (1:1 v/v) /0.5M NO 3 + S S S S S S + S thium Bis(Trifluoromethanesulfonyl)Imide LITFSI

12 Mechanismen Lade/Entladevorgänge in der -S-Batterie Lade- / Entlade-Profil der -S - Zelle S.S. Zhang / Journal of Power Sources 231 (2013) 153e162 12

13 Stand der Technik: Hersteller - Sion Power ( Sion Power Gründung: 1994 Standort: Produkt Status: USA in der Entwicklung Kommentar: 2012 investierte BASF 50 Mio $ in SION mit dem Ziel EV Batterien zu entwickeln Angaben zum bisherigen Zelltyp: - Gewickelt prismatisch - 2,6 Ah - 37 mm x 55 mm x 11 mm Wh/kg Wh/l bis +45 C Nutzungstemperatur % DOD 13

14 Stand der Technik: Hersteller - Sion Power ( 14

15 Herausforderungen der -S-Batterie Größte Herausforderung: Degradation (Zyklenlebensdauer begrenzt auf < 200 Zyklen!) Anode (-) Kathode (+) -Metal Instabilität Dendriten Elektrolyt-Zersetzung Shuttle Mechanismus 0 S 8 / + 2 S S S S S S S S S + S S S S S S S Niedrige Leitfähigkeit von Schwefel / 2 S Degradation durch strukturelle Veränderungen - + Schema der -S - Zelle 15

16 Kathodendesign für -S-Zellen Lösungsmittelfreie Kathodenfertigung Schnell, einfach, skalierbar Kein Trockungsschritt / Lösungsmittelrückgewinnung erforderlich (zur Zeit > 30 m Trocknerstrecke / Vakuum notwendig) Keine Begrenzung der Elektrodendicke (dicke Schichten aus Slurry-Beschichtung bilden Risse) 16

17 discharge capacity / mah g -1 coulombic efficiency / % Neue Materialien für -Schwefel-Batterien Kathodendesign Poröse Kohlenstoffe mit definierten Micro-, Meso-, Macroporen 3 % Binder, Leitadditiv mah g -1 sulfur mah g -1 cathode Ion-level cycle number 20 17

18 Si/C Kompositanoden für -S-Batterien Si/C composite anode Prelithiierte Si/C Komposit-Anode in Vollzelle mit S/C-Kathode keine Elektrolytzersetzung keine Dendriten hohe Zyklenzahlen möglich Allerdings: Anode begrenzt durch geringere Kapazität die Gesamtenergiedichte 18

19 Si-Anoden Legierungsanoden Kapazitäten bis 4 Ah/g (Si) Herausforderung: Volumenänderung (> 300 %) beim Zyklieren Mögliche Strukturen zur Kompensation von Spannungen: Nanopartikel (bis 200 nm Durchmesser) Nanodrähte (bis 1 m Durchmesser) Dünne Schichten ( bis wenige m Dicke) Sn-Anode 1 Si-Anode 2 1 J. Hassoun, B. Scrosati Angew. Chem. 2010, 122, Elazari, R. et al., Electrochem. Commun., , 21-24, 19

20 Membranen als Polysulfid-Barriere -Ionen-leitende Membranen könnten Polysulfid-Shuttle verhindern Nachweis an Nafion-beschichteten Membranen erfolgt (Fh IWS) Anode (-) Kathode (+) 0 S 8 / + 2 S S S S S S S S S L i L i S S S S L i S S L i S L i - + Celgard 2500 Nafion-beschichtet 500 nm 500 nm 20

21 Aktuelle Projekte: BaMoSa BMBF-Verbundprojekt: WING-Zentrum: Batterie mobil in Sachsen (BaMoSa) Materialentwicklung und Prototyp--S-Zellen aus Dresden Finanzielle Unterstützung: Kürzel: Datum und Name der Präsentation 21

22 Potential der -S-Technologie Energiedichte SoA (LIB) SoA (Sion- Power--S) Potential (- S) GM* Potential (- S) BMW** Potential (-S) - IWS Grav. Energiedichte (Zelle) Wh/kg 350 Wh/kg 550 Wh/kg 419 Wh/kg 490 Wh/kg Vol. Energiedichte (Zelle) Wh/L 320 Wh/L 620 Wh/L 644 Wh/L 685 Wh/L -Ionen-Zellen -S-Zellen LG Pouch-Zelle (Opel Ampera): 140 Wh/kg -Tec-Pouch-Zelle (E- Smart): 170 Wh/kg Panasonic (Tesla): 250 Wh/kg Sion-Power: 350 Wh/kg * T. Greszler Beyond thium Ion 5, Berkeley, CA 2012 ** Dr. P. Oberhumer -S-Workshop 2013, Dresden 22

23 Potential der -S-Technologie Kosten Kathodenmaterial bisheriger -Ionen-Zellen ist die teuerste Komponente einer Batterie ( 24 % der Zellkosten) Co und Ni sind seltene Rohstoffe deren Kosten bei Massenproduktion steigen, statt zu sinken. In -S entfällt diese Kostenposition 24 % Einsparpotential Source: Roland Berger, Batteries 2012 Patentiertes, trockenes Elektrodenherstellverfahren kann zusätzlich Produktionskosten senken 23

24 Zusammenfassung Stand der -Ion-Technologie Energiedichten bis 250 Wh/kg durch verbesserte Volumenausnutzung möglich neue Material Ansätze versprechen nur geringfügige Energiedichte- Erhöhung auf Zellebene Stand und Perspektiven der -S-Technologie -S hat potentiell höhere Energiedichten zu geringeren Kosten als LIB Lebensdauer noch unbefriedigend hohe Zyklenstabilität durch neue Lösungen vor allem bei Anoden / Elektrolytentwicklung erreichbar 24

25 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Kontakt: Dr. Holger Althues Fraunhofer IWS Winterbergstraße Dresden, Germany -S-Batterie-Workshop in Dresden Telefon Fax Internet ngen/lithium_schwefel_batterien_2014.html 25

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